煤层气储层特征及钻井液选择

2011-02-13张振华孙晗森乔伟刚

中国煤层气 2011年2期

张振华孙晗森乔伟刚

(1.中国石化集团胜利石油管理局渤海钻井二公司,山东 257200;2.中联煤层气有限责任公司,北京 100011;3.中国石油大学石油工程学院,山东 266555)

1 中国煤层气储层及煤岩特点

1.1 微孔和裂缝发育

煤层气主要吸附于微孔中,而割理是煤层气产出的主要通道。割理主要由面割理、端割理和构造裂缝组成,面割理延伸很远,端割理发育在两条面割理之间,它们与层理面相交,把煤体分成一个个斜方形或长方形的基质岩块。尽管裂缝的孔隙度只有1%～2%,然而它对煤层的渗透率有重要影响。

1.2 储层渗透率极低

煤层渗透率决定了煤层气能否顺利的从煤层中采出,而我国煤层气储层渗透率普遍偏低,90%的储层渗透率低于 3×10-3μm2,通常为 (0.001～0.1)10-3μm2,属典型的低渗透、特低渗透储层。

1.3 普遍属于低压储层

储层压力直接影响储层的含气量和煤层气的存在状态,也是气体由储层流向井筒的能量来源,从而影响煤层气的产量,我国的煤层气储层压力大多低于正常静水压力,属于低压储层。

1.4 含气饱和度低

中国五大聚煤区包括西北、华北、东北、滇藏及华南聚煤区,以华北和西北聚煤区为主,占全国总资源量的90.7%,其次为华南聚煤区,东北聚煤区煤层气资源量相对较低,滇藏聚煤区煤层气资源量极少。各主要聚煤区含气饱和度数值如表1所示。由表1可知,我国大多数煤层气储层含气饱和度较低。

表1 主要聚煤区煤层气储层含气饱和度数据表

1.5 煤岩表面带有电荷

煤岩表面比常规砂岩和碳酸盐岩表面带有更多的电荷,表面电位随所处环境的pH的增大而减小,多数煤岩的表面电位经历了由正到负的过程,表面电位为零时的pH值称为等电点,不同煤岩的等电点大小不同,但大多数远小于7,所以在一般钻井液的pH条件下,煤岩表面带负电。这是煤岩一个很重要的性质,国外有学者依据此性质设计出一种通过静电吸附到煤岩表面的柔性材料,用于封堵储层裂缝。

2 煤层气储层对钻井液性能的要求

2.1 具有较强的封堵性能

在用清水或常规钻井液钻高度裂缝的煤层时,钻井液不可避免的侵入煤层,钻井液进入到裂缝系统后,井眼附近的地层压力接近井底压力,导致钻井液对煤层的支撑力下降,致使煤岩脱落,造成井壁的坍塌,侵入储层的钻井液越多,侵入的距离越远,则坍塌的可能行越大。此时,人们往往为了稳定井壁而加入重晶石或者碳酸钙以增大泥浆密度,使井底压力重新大于储层压力,从而实现对井壁的支撑,但这样做往往会适得其反。因为井底压力的再次增加会将裂缝撑开,从而有更多的钻井液进入储层,当井底压力重新扩散到与储层压力相等时,井壁依旧坍塌。

钻井液进入裂缝,会在以下几方面对储层造成污染,造成储层渗透率下降：①煤基质吸收液体发生膨胀,挤压裂缝,使得储层渗透率大幅度下降,并且该过程几乎是不可逆的;②钻井液中的固相颗粒 (粘土颗粒、岩屑、粉煤灰等)堵塞裂缝造成储层渗透率下降;③若钻井液中含有聚合物,高分子聚合物吸附粘土颗粒也会引起裂缝的堵塞;④钻井液与地层流体不匹配,生成沉淀堵塞裂缝。渗透率的下降将严重影响到煤层气的产量。

经过以上分析,发现不论是从井壁稳定方面还是从保护储层免受钻井液伤害方面,都应当阻止钻井液侵入到储层,所以煤层气井钻井液要有较好的封堵性能。

2.2 合理的钻井液密度

合理的钻井液密度对于井壁的稳定具有重要的意义,若钻井液密度过低,则井壁失去必要的支撑而发生坍塌,造成井径扩大,形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼;若密度过高,超过煤岩破裂压力时则会压裂地层,产生井漏和储层伤害,所以确定钻井液密度窗口很有必要。

井壁坍塌的钻井液密度为：

式中σh1——最大水平主应力,MPa;

σh2——最小水平主应力,MPa;

p0——储层压力,MPa;

C——煤岩内聚力,MPa;

φ——摩擦角 ,°;

H——煤储层深度,m;

η——应力非线性修正系数;

α——Biot系数

Ca——骨架压缩系数,MPa-1;

Cb——体积压缩系数,MPa-1。

地层破裂时的钻井液密度为：

式中St——煤的抗拉强度,MPa,其余同 (1);保持井壁既不坍塌也不压裂的钻井液密度窗口为 (ρm,ρf)。

2.3 具有较好的抑制性能

煤岩常常与泥页岩互层,煤层中往往还有泥土质夹矸,粘土矿物的水化膨胀会加剧井壁不稳定和对储层的伤害,所以钻井液应当具有好的抑制粘土膨胀的能力。

2.4 具有较低的表面张力

裂缝的内经很小,每一条裂缝都可以看做是一条毛细管,钻井液的侵入会在裂缝中形成一个凹向水相的弯液面,从而形成毛细管压力,这个附加压力的存在使得气体流动阻力增加,甚至完全阻止气体向井筒的流动,造成“水锁”。表面活性剂能有效地降低钻井液体系的表面张力,从而减小“水锁”效应对气体流动的影响。

2.5 具有合适的pH值

当pH值过高时,OH-与煤层面负电荷较高的氧原子可以形成强烈的氢键作用,促使水化作用,加剧坍塌的可能性,碱性滤液与地层水反应生成沉淀,会对储层造成污染;若钻井液pH较低,不利于钻井液中腐殖酸类等有机处理剂的溶解,对钻具也有腐蚀作用。因此,钻井液的pH值应当控制在一个合适的范围内,推荐钻井液pH值在7～8的范围内比较合适。

3 几种可用于煤层气井的钻井液体系

国内目前用于钻进煤层气储层的钻井液有：优质膨润土钻井液、低固相聚合物钻井液、空心玻璃漂珠钻井液、清水钻井液、无粘土钻井液等,本文介绍其它几种有效的煤层气井钻井液体系。

3.1 泡沫钻井液体系

通过混合水、表面活性剂和空气 (或氮气)来制造泡沫,泡沫具有较宽的粒径分布,可以用于封堵大范围直径分布的的裂缝。泡沫通过架桥来堵塞孔喉,减少钻井液进入储层,从而减少井底压力的传播和钻井液对储层的伤害。

泡沫钻井液体系也有其自身方面的不足,主要表现在：①需要专门的设备来产生泡沫,这些设备往往价格昂贵;②在井底压力下,泡沫比较容易被破坏而失去封堵能力。

3.2 Aphron钻井液体系

Aphron钻井液是国外研制的一种新型的具有高剪切稀释性的水基充气泡沫钻井液,已在世界范围内得到广泛应用。

Aphron是由三层表面活性剂所包裹的气核,在表面活性剂中间有一层粘度较高的稠化水层,最外层表面活性剂极性端朝外,使得Aphron与周围水基流体相溶,如图1所示。

图1 Aphron结构示意图

加入一种由表面活性剂和聚合物组成的混合物(Aphron稳定剂)改进得到的Aphron稳定性增强。Aphron除了有普通泡沫的优点以外,还具有以下特点：①相对于普通泡沫,Aphron承压能力更强,特别是改进后的Aphron,在3.5MPa的压力下,直径为250μm的普通泡沫、Aphron以及改进后的Aphron直径都立即收缩到大约150μm,普通泡沫在2min内消失,Aphron至少在10min后才消失,而改进后的Aphron则能稳定30min以上。②在井底压力下,Aphrons被压缩,体积很小,对钻井液的密度影响较小,使钻井液处于一个稳定的静水压力和循环压力下,有利于井壁稳定和井控;当Aphron进入地层后,体积开始膨胀,并在钻井液前端聚集封堵地层,保持了井筒压力和地层压力的平衡,减小钻井液向储层的侵入。③Aphrons之间以及Aphrons与孔隙裂缝表面的作用力很小,在后期生产中,Aphrons容易从储层中清除,储层渗透率恢复值大。④Aphron的生成不需要像空气或者泡沫钻井液那样需要使用压缩机和高压水龙带,使用常规钻井液混合设备在添加处理剂的过程中混入空气即可自发形成Aphrons。

3.3 超低渗透钻井液体系

超低渗透钻井液体系适用于封堵微裂缝性储层,该钻井液体系的核心处理剂是FLC2000,它是由部分水溶和部分油溶的各种聚合物组成的混合物,具有宽的HLB值。将FLC2000加入到水基钻井液中时,聚合物聚集形成“胶束”,在过平衡压力下,“胶束”立即在煤岩孔喉处形成一个低渗透的封堵层,如图2所示。超低渗透钻井液体系具有以下特点：①胶束具有宽的粒径分布,可以用于封堵具有较大范围直径分布的的裂缝。②以最快的速度形成低渗透的封堵层,阻止钻井液的进一步侵入储层。③FLC2000具有宽的HLB值,可用于水基、油基和合成基钻井液。④封堵层只是存在于井壁岩石表面,没有深入到储层深部,一旦过平衡压力消失,封堵层就会消弱,生产过程中在储层反向压力作用下,封堵膜就会自动清除,不会永久性堵塞储层。⑤封堵膜具有强的承压能力,可以使地层破裂压力梯度增加,提高井壁的稳定性。